無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究
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由于WSN的巨大應(yīng)用價(jià)值，它已經(jīng)引起了世界許多國(guó)家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用于軍事，工業(yè)過程控制、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
美國(guó)國(guó)防部和各軍事部門都對(duì)WSN給予了高度重視，在C4ISR的基礎(chǔ)上提出了C4KISR計(jì)劃，強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力，把WSN作為一個(gè)重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列的，軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目，如美國(guó)陸軍2001年提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”計(jì)劃，已被批準(zhǔn)為2001財(cái)政年度的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃，并在2001～2005財(cái)政年度期間實(shí)施；美國(guó)海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)（CEC，cooperative engagement capability），即使是今天最先進(jìn)的反艦巡航導(dǎo)彈也會(huì)被實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到并被擊中。在民用領(lǐng)域，2002年，Intel公司發(fā)布了“基于WSN的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃”。Intel將致力于WSN在預(yù)防醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林滅火乃至海底板塊調(diào)查、行星探查等領(lǐng)域的應(yīng)用。
美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)（NSF）2003年制定了WSN的研究計(jì)劃，投資3400萬美元，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。在NSF的推動(dòng)下，美國(guó)的加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、洛克維爾研究中心、加州大學(xué)洛杉磯分校等機(jī)構(gòu)開始了WSN的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。英國(guó)、日本、意大利等國(guó)家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。學(xué)術(shù)界的研究主要集中在傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議的研究上，也開展了一些感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)的研究，取得了一些初步研究結(jié)果。
國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)如中科院、清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及浙江大學(xué)等學(xué)術(shù)團(tuán)體對(duì)WSN進(jìn)行了跟蹤研究。中國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程（CNGI）2006年研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用試驗(yàn)項(xiàng)目中就包含了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究項(xiàng)目。
毋庸置疑，跟蹤國(guó)外WSN技術(shù)的發(fā)展，并做出開創(chuàng)性的研究工作，對(duì)我國(guó)國(guó)防現(xiàn)代化的發(fā)展具有重要的意義。
1 WSN的定義和特點(diǎn)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定義為：
Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。如圖1所示，從硬件上看，WSN節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點(diǎn)；從軟件上看，它借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置傳感器有效探測(cè)所處區(qū)域的溫度、濕度、光強(qiáng)度、壓力等環(huán)境參數(shù)以及待測(cè)對(duì)象的電壓、電流等物理參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將探測(cè)信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心進(jìn)行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)。
WSN具有以下特點(diǎn)：
①硬件資源有限。WSN節(jié)點(diǎn)采用嵌入式處理器和存儲(chǔ)器，計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計(jì)算能力的條件下進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理的難題。
②電源容量有限。WSN節(jié)點(diǎn)通過自身攜帶的電他來提供電源，當(dāng)電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡(luò)的中斷。所以，任何WSN技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。
③無中心。WSN沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。
④自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。
⑤多跳（Multi-hop）路由。WSN節(jié)點(diǎn)通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的。
⑥動(dòng)態(tài)拓?fù)洹SN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。
⑦節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣，難于維護(hù)甚至不可維護(hù)。所以，需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件健壯性和容錯(cuò)性。
2 風(fēng)洞測(cè)控WSN的主要關(guān)鍵技術(shù)
針對(duì)WSN的特點(diǎn)和在風(fēng)洞測(cè)控中應(yīng)用需求，WSN研究領(lǐng)域還有很多具有開創(chuàng)性和挑戰(zhàn)性的難題需要解決，主要包括以下的研究?jī)?nèi)容。
2.1 WSN節(jié)能技術(shù)
能源是WSN最重要的資源，如何有效地節(jié)約能源是WSN必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)。WSN節(jié)點(diǎn)工作時(shí)按功率消耗由小到大的順序有4種模式：睡眠模式（sleep）、空閑模式（idle）、接收模式（receive）以及發(fā)送模式（transmit），有效地進(jìn)入睡眠模式與空閑模式以及減少數(shù)據(jù)的發(fā)送量將大大地節(jié)約能源。采用合理的路由算法與信道接入方式也是節(jié)能的關(guān)鍵。
2.2 WSN節(jié)點(diǎn)微型化技術(shù)
WSN節(jié)點(diǎn)微型化技術(shù)在現(xiàn)階段還集中在硬件電路的設(shè)計(jì)上，通過采用體積小、功耗低的芯片與器件和采用模塊化的設(shè)計(jì)與分層布線的方法會(huì)使體積盡量減小，然而隨著MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)的日趨成熟，在不久的將來，WSN節(jié)點(diǎn)體積將會(huì)越來越小。
2.3 WSN組網(wǎng)技術(shù)
WSN其本質(zhì)是基于Ad hoc技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò)，在WSN的布設(shè)區(qū)域（比如野外的高壓儲(chǔ)氣罐群）沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，必須通過WSN節(jié)點(diǎn)的自組織來形成一個(gè)無線的傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并通過相關(guān)數(shù)據(jù)的匯聚和融合，從而把相應(yīng)的測(cè)試對(duì)象的參數(shù)傳遞到監(jiān)控中心。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)是提供高的服務(wù)質(zhì)量和高效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，其次才考慮節(jié)約能量，而WSN的首要目標(biāo)是高效使用能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存期。因此，已有網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不能用于WSN。所以，必須設(shè)計(jì)和研究新的面向數(shù)據(jù)的低功耗、自組織的信息傳輸路徑的建立機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)管理方案，并且滿足如下的技術(shù)要求：
①高效性：節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)要經(jīng)過Multi-hop才能到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯聚，所以，要求網(wǎng)絡(luò)路由／組網(wǎng)協(xié)議必須是高效的，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，與數(shù)據(jù)融合技術(shù)相結(jié)合，減少傳輸和計(jì)算開銷，使用盡量少的能量，以滿足WSN的能量約束和時(shí)間約束。
②魯棒性：WSN在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)中應(yīng)用時(shí)，必須適應(yīng)野外環(huán)境中WSN節(jié)點(diǎn)容易失效以及風(fēng)洞環(huán)境中由于電磁干擾等因素造成無線信道不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，建立穩(wěn)健、冗余的路由通道，避免因個(gè)別節(jié)點(diǎn)的失效或無線信道的突然中斷，而造成感知盲區(qū)。
③擴(kuò)展性：WSN節(jié)點(diǎn)的數(shù)目經(jīng)常變化，可以是幾百甚至幾千，路由／組網(wǎng)協(xié)議和傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)WSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的特點(diǎn)。
④收斂性：即WSN路由／組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理方案既要能覆蓋所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)要能迅速形成全網(wǎng)的穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2.4 WSN數(shù)據(jù)匯聚技術(shù)
在WSN的風(fēng)洞測(cè)控應(yīng)用環(huán)境中，WSN節(jié)點(diǎn)需要采集溫度、濕度、光、壓力等多種環(huán)境參數(shù)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)往往不能完成對(duì)環(huán)境目標(biāo)的側(cè)量和識(shí)別，單一傳感器獲得的僅是風(fēng)洞環(huán)境特征的局部、片面的信息，它的信息量是非常有限的。而且每個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)還受到自身品質(zhì)、性能及風(fēng)洞噪聲的影響，采集到的信息往往是不完善的，帶有較大的不確定性，甚至是錯(cuò)誤的。這就需要研究和開發(fā)一定的算法，使具有一定屬性的多個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)采用通過交換信息，對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了加工、匯總和過濾，以事件的形式得到最終結(jié)果，這就是WSN數(shù)據(jù)的匯聚。多傳感器數(shù)據(jù)融合是一個(gè)多學(xué)科交叉的新技術(shù)，對(duì)信息融合方法的基本要求是具有魯棒性和
評(píng)論